山曉媛+桑會慶

（沈陽機床股份有限公司中捷立加分公司 遼寧 沈陽 110142）

摘 要：開放式數(shù)控系統(tǒng)具有模塊邏輯獨立、接口標準化、柔性和可移植性好的特點，它滿足了制造業(yè)對產(chǎn)品多樣化的要求，成為數(shù)控系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢。本文采用PC機GT-400-SV運動控制卡和PLC相結合的方式完成了進給系統(tǒng)的聯(lián)動控制。本文所采用的方法同樣適用于類似形式的機床使用。

關鍵詞：開放式數(shù)控系統(tǒng)；運動過程控制

1.步進電機與驅動器

步進電機的基本參數(shù)：

（1）電機固有步距角；表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。

（2）步進電機的相數(shù)：指電機內(nèi)部的線囤組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.50°、五相的為0.36°/0.72°。

（3）保持轉矩（HOLDINGTORQUE）：指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉予的力矩。

（4）DETENT TORQUE：是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。

步進電機驅動器：

步進電機的運行要有一電子裝置進行驅動，這種裝置就是步進電機驅動器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號，加以放大以驅動步進電機。步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機精確調(diào)速；控制步進脈沖的個數(shù)，可以對電機精確定位。

2.聯(lián)動控制的實現(xiàn)

運動控制器可以實現(xiàn)兩種軌跡的多軸協(xié)調(diào)運動：直線插補、圓弧插補。描述復雜的多軸協(xié)調(diào)運動軌跡的最簡單的方法是利用坐標系，在坐標系內(nèi)能夠方便地描述運動對象的運動軌跡。因此，多軸協(xié)調(diào)運動又稱為坐標系運動；多軸協(xié)調(diào)運動模式又稱為坐標系運動控制模式。

運動控制器通過坐標映射將控制軸由單軸運動控制模式轉換為坐標系運動控制模式。在坐標系運動控制模式下，可以實現(xiàn)單段軌跡運動，多段軌跡連續(xù)運動。運動控制器開辟了底層運動數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，可以實現(xiàn)多段軌跡快速、穩(wěn)定的連續(xù)運動。

（1）運動坐標系與控制軸的映射運動控制器利用一個四維坐標系（X，Y，Z，A），描述直線、圓弧插補軌跡。對于數(shù)控車系統(tǒng)只需要利用二維（X，Y）坐標系來描述運動軌跡。

通過調(diào)用GT_MapAxis（）命令將在坐標系內(nèi)描述的運動通過映射關系映射到相應的軸上。從而建立各軸的運動和要求的運動軌跡之間的運動學傳遞關系。運動控制器根據(jù)坐標映射關系，控制各軸運動，實現(xiàn)要求的運動軌跡。調(diào)用GTMapAxis（）命令時，所映射的各軸必須處于靜止狀態(tài)。

簡單的坐標映射代碼如下所示：

Void MapAxis（）

{short rtn；

Double cnt1[5]={l，O，O，0，0）；/*根據(jù)系統(tǒng)設置坐標映射數(shù)組*/

Double cnt2[5]={0，1，0，0，0}；/*根據(jù)系統(tǒng)設置坐標映射數(shù)組*/

rtn：GT_MapAxis（1，cntl）；error（rtn）； /*映射第1軸到X軸*/

rtn=GT_MapAxis（2，cnt2）；error（rtn）； /*映射第2軸到Y軸*/）

}

如果控制軸1和控制軸2所對應的運動方向由于某種原因不垂直。為了利用直角坐標系X-O-Y描述運動軌跡，可以通過簡單的變換得到如下的坐標

映射關系：l號軸=X+Ytana

2號軸=Y/cosa

使用上述映射關系，可以方便地直接在直角坐標系下描述運動軌跡。運動控制器自動地完成傾斜補償運算。坐標映射代碼如下：

Void MapAxis（）

{short rtn；？

Double cnt1[5]={l，O，0，O，O}；

Double cnt2[5]={O，O，O，O，0}；

cntl[1]=tan（3），cnt2[1]=1/cos（3）；/*這里傾斜角度為3*/

rtn=GT_MapAxis（1，cntl）；error（rtn）；？rtn=GT_MapAxis（2，cnt2）；error（rtn）；

}

以次類推，坐標平移、坐標旋轉、坐標比例變換（利用坐標比例變換能夠方便地實現(xiàn)長度單位轉換）等計算功能都能夠通過坐標映射實現(xiàn)。

（2）連續(xù)軌跡運動的實現(xiàn)

運動控制器在上一段軌跡運動未完成情況下，不接受新的軌跡運動命令。只有在前一軌跡運動結束后，才可以發(fā)送新的坐標系軌跡運動命令。為了方便地實現(xiàn)連續(xù)軌跡運動，運動控制器提供了一個緩沖區(qū)?？梢韵葘⒉糠肿鴺讼颠\動命令存放在這個控制器內(nèi)部的循環(huán)隊列命令緩沖區(qū)，然后發(fā)出執(zhí)行命令。在運動控制器執(zhí)行緩沖區(qū)內(nèi)存放的運動命令的同時，主機能夠繼續(xù)向這個緩沖區(qū)內(nèi)下載運動命令。這樣就降低了對主機通訊實時性的要求，又提高了通訊效率。而運動控制器通過對緩沖區(qū)內(nèi)的連續(xù)段運動軌跡信息的預處理，能夠獲得良好的運動特性。

為了將軌跡運動命令存入緩沖區(qū)，首先需要對緩沖區(qū)進行操作，在數(shù)控車系統(tǒng)中，經(jīng)常使用到的緩沖區(qū)操作函數(shù)如下：

GT_StnList（）-打開并清空緩沖區(qū)；

GT_MvXY（）-定位緩沖區(qū)坐標起點（二維）；

GT_AddList（）-再次打開緩沖區(qū)；

GT_EndList（）-關閉緩沖區(qū)。

當運動控制器上電后，第一次采用坐標系運動模式時，必須先調(diào)用GT_StnList（）命令進入緩沖區(qū)命令輸入狀態(tài)；打開并清空緩沖區(qū)后，必須調(diào)用定位緩沖區(qū)起點的命令，這樣運動控制器將從當前位置按照直線插補的方式移動到該命令指定位置，并將速度減速到零，然后順序執(zhí)行后續(xù)的緩沖區(qū)命令；為了接續(xù)原有的坐標系運動命令，增加新的坐標系運動命令，可以調(diào)用GT_AddList（）打開已經(jīng)關閉的緩沖區(qū)，坐標系運動命令發(fā)送完畢后，可以再次調(diào)用GT_EndList（）命令，關閉緩沖區(qū)，用于增加緩沖區(qū)內(nèi)的坐標系命令，用戶可以多次調(diào)用GT_AddList（）。

可以存入緩沖區(qū)的命令主要是速度、加速度設置指令及直線、圓弧插補指令。數(shù)控車系統(tǒng)中常用的放入緩沖區(qū)的命令如下：

GT_SetSynVel（）-設置多軸協(xié)調(diào)運動軌跡切線速度；

GT_SetSynAcc（）-設置多軸協(xié)調(diào)運動軌跡切線加速度；GT_LnXY（）-兩維直線插補；GT_ArcXY（）-XY平面圓弧插補（圓心位置和角度為輸入）；GT_ArcXYP（）-XY平面圓弧插補（終點位置和半徑為輸入）；可以不斷向緩沖區(qū)中發(fā)送坐標系運動命令，直到緩沖區(qū)滿。緩沖區(qū)滿時，運動控制器拒絕接收用戶輸入的多軸協(xié)調(diào)運動描述命令，并返回緩沖區(qū)滿的信息。在啟動緩沖區(qū)中的命令后，隨著命令的執(zhí)行，緩沖區(qū)會有新的空間，可以繼續(xù)發(fā)送更多的命令。

啟動、停止緩沖區(qū)中的坐標系運動命令的函數(shù)有GT_StrtMtn（）、GT_StpMtn（）和GT_EStpMtn（）。調(diào)用GT_StrtMtn（）命令，緩沖區(qū)中的命令將順序執(zhí)行。在啟動緩沖區(qū)中命令之前，必須確定運動控制器的緩沖區(qū)內(nèi)有運動描述命令可以被執(zhí)行，也就是說在此之前主機已調(diào)用過GT_StrtList（）和GT_MvxY命令。調(diào)用GT_StrtMtn命令后，不發(fā)關閉緩沖區(qū)命令GT_EndList，運動控制器會一邊將主機新發(fā)的坐標系運動命令加入緩沖區(qū)，一邊執(zhí)行緩沖區(qū)中的命令；GT_StpMtn（）表示平滑停止坐標系運動；GT_EStpMtn0表示緊急停止坐標系運動。

3.步進電機的PLC控制

3.1步進電機的PLC控制原理

應用PLC對步進電機進行控制，主要作用是解除進給方向運動的限位，即解除X向和Z向的限位。還可以對進給方向進行手動的快速移動。

PLC對步進電機進行控制，主要是根據(jù)步進電機的控制原理。向步進電機驅動器發(fā)送一個脈沖信號，電機驅動器驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。PLC可以方便的設置脈沖量。

3.2步進電機的PLC控制程序

利用PLC內(nèi)部提供的延時閉合時間繼電器T33和T44，編制了寬度可調(diào)的脈沖發(fā)生程序，程序如圖3.1；當I1.1接通時，PLC的輸出點Q2.4可產(chǎn)生一個脈沖量。

控制步進電機除了一個沖量之外還需要一個控制旋轉方向的量。步進電機的PLC控制程序如圖3.2；

結論

本文研究了步進電機的控制原理，深入闡述了運動控制器對步進電機控制的實現(xiàn)過程，實現(xiàn)了PLC對步進電機的點動控制功能。

參考文獻

[1]胡育輝.數(shù)控加工中心.北京：化學工業(yè)出版社，2005，2—10.